木拱桥结构形式及中国编木拱技术研究价值

刘君平 杨艳 陈宝春

(福州大学 土木工程学院 福建福州 350116)

木拱桥结构形式及中国编木拱技术研究价值

刘君平 杨艳 陈宝春

(福州大学 土木工程学院 福建福州 350116)

木拱桥在桥梁史中占有重要的地位，文章主要对其发展历史和结构形式，特别是我国的编木拱桥进行了探讨。木拱桥拱肋结构形式可分为木肋、木桁肋、编木拱和其它4种。其中，木肋和木桁肋主要分布在欧洲，而编木拱仅在中国建有并大量留存。同时，肋拱和桁拱在其他材料拱桥中也有大量的应用，并不是木拱的特有形式，而中国编木拱结构形式在其他材料拱桥中并未见到。同时，编木拱相关试验结果与理论分析表明，其结构受力特点与现有结构力学分析结果存在较大差异，并不属于一般的二维平面或三维空间杆系结构。因此，开展编木拱的力学计算方法研究，对于发展结构力学理论也具有重要的理论意义。

木拱桥；结构形式；中外；差异；编木拱；研究价值

1 概述

拱结构是人类桥梁史上最伟大的成就之一，有着极高的技术和美学价值。木材作为天然的材料，在桥梁结构中的应用有着悠久的历史，许多国家都曾修建过木拱桥，但由于木拱桥易腐烂等种种原因，遗存数量不多，因此木拱桥并不被大众所熟悉。但其实木拱的结构形式丰富多样，是木桥结构表现形式最为丰富的一种。根据遗存的木拱桥结构形式，按拱肋形式大致可划分为4种：木肋、桁肋、编木拱肋和其它形式[1-2]。木肋拱与桁肋拱主要分布在欧洲等地，这与欧洲在罗马时期的建筑文化渊源密切相关。编木拱仅存于中国，主要与中国古代房屋结构的受力构件梁柱有关，受古代主流建筑的影响，主拱采用原木穿插的编木结构体系。

本文通过介绍中西方木拱桥结构形式，分析中西方木拱桥结构的差异，促进我国木结构桥梁的应用与发展，同时也希望推动编木拱桥计算理论模式的发展。

2 国外的木拱桥

2.1 木肋拱

人类可能受自然倒下的树木刚好横跨水道或峡谷的启发，形成了最早的桥梁，但跨径很小。为增大桥梁跨越能力，人们直接将木头弯成曲线作为拱肋形成了木肋拱[2]，使得桥梁跨径较梁桥有了很大进步。木肋在早期主要直接使用原木，受原木长度的影响，其跨径较小。随着后来胶合木的大量使用，在一定程度上增大了拱肋长度，木肋拱跨径也有所增大，国外典型的木肋拱桥如图1所示。

(a)意大利木肋拱桥

(b)克罗地亚木拱桥

(c)美国代顿木拱桥图1 国外木肋拱桥

2.2 木桁拱

木桁拱早在文艺复兴时期就有记载，如著名意大利建筑师帕拉迪奥所著《建筑四书》。木桁拱采用尺寸较小的短原木，利用木材易于连接的特点，利用了三角形的稳定性以及拉、压两种荷载的均衡作用。木桁拱用料较少，自重较轻，跨越能力比一般简支梁和木肋拱强。在意大利威尼斯艺术学院旁边的大运河上，就修建了一座宏伟的木桁拱桥，其跨度约为50m，超过了意大利古代建筑的跨度记录，如图2所示。由于威尼斯人不断加以修护的原因，它得以保留至今[2]。

图2 意大利威尼斯学院桥

2.3 编木拱

在国外，木拱桥中用得最多的是实肋和桁肋。15世纪末，古罗马的亚特兰大法典(Atlantic Code)中记载了莱昂那多·达芬奇(Leonardo) 关于编木拱的设想,如图3所示。它是由交错的直木通过绳子绑扎成铰构成拱的结构，如图4所示。主拱由两个纵向拱架系统组成，同一拱架系统的拱木不在一个平面上[3]。但迄今为止，研究表明他的设想并未得到实际应用，因此也不可能有实桥留存。

图3 古罗马编木拱设想图

图4 古罗马设想编木拱桥主拱连接示意图[3]

2.4 其它形式

图5所示是一座多孔连续木拱桥，其清晰地描绘在公元112年建造的图拉真记功柱表面浮雕上。据相关史料，该桥建于公元104～105年，位于罗马尼亚西南城市图尔努-塞维林(Turnu-Severin)的多瑙河上，设计者是受到图拉真皇帝宠爱的建筑师阿波罗多罗(Apollodorus)[4]。目前，在该桥遗址上尚可见残存的20个石桥墩，各孔木拱圈跨度在35m～38m之间，原桥全长约为1100m左右。从浮雕可以看出，这座木拱桥拱圈的矢跨比很小，与当时流行的半圆拱圈不同。

图5 图拉真记功柱浮雕多瑙河木拱桥[4]

旅居伦敦的威尼斯画家卡纳列托(Canaletto)描绘了他所目睹的位于萨里市泰晤士河上的华尔顿桥，如图6(a)所示。该桥采用詹姆斯·金在1737年为威斯敏斯特桥投标而提出的结构体系，虽然该设计当时并未中标，但几年后他的搭档威廉·埃斯里奇用同样的结构体系建造了华尔顿桥。桥梁为整体对称的三跨，中跨跨径约为40m(当时为英国最大的拱)，边跨跨径约为主跨的1/3，如图6(b)所示。主拱受力系统主要为其木构拱圈以及两侧的放射状木桁架，形成中间大两边小的扁平弓形拱圈，形态与中国著名的赵州桥颇为相似，但结构不完全一致。

(a)卡纳列托绘华尔顿桥

(b)华尔顿桥图6 华尔顿桥[6]

图7 Tournus桥[6]

图8 Choisy桥[6]

19世纪初，法国也建造了许多的木拱桥。Gauthey在他的桥梁论文中提到几座桥：位于Sanoe河上的Tournus桥，如图7所示。建于1801年，由5个跨径27.3m的拱组成。位于塞纳河石墩的上承式公路桥Choisy桥(五拱结构)，建于1811年，跨径在21m～24m之间[5],如图8所示。

19世纪上半叶，英国和美国的桥梁技术是当时世界上最先进的。1850年，德国工程师Karl Culmann对美国和英格兰进行了一次学习旅行，在他的旅行实录中，他描述了建于1848年的Cascade木拱桥，如图9所示，桥梁跨径90m。在实录中，他认为这座桥是当时美国(可能是世界)最好的木结构[6]。

图9 Cascade桥[6]

除此之外，一直深受中国建筑影响的日本，也建造了一座特殊的木拱桥-锦带桥，该桥位于日本山口县岩国市的锦川河上，始建于1673年，是一座五孔石墩木拱桥，如图10(a)所示。由于木材不耐腐，当地人每隔5年对一个木拱进行重建，25年整体重建一次。1953年重建时，将桥墩用混凝土加固，主拱木材采用化学防腐处理。现存桥梁为2005年飓风毁坏后所重建，全长193m，宽5m，四墩五跨，中间三跨跨径35m，旁边跨径34m[7]。主拱肋采用日本传统组合木结构建造技艺，用仿石拱圈的做法把小块木材通过箍铁、U型铁和铁丝象砌筑石拱圈一样砌筑主拱结构，如图10(b)所示。和中国的木拱桥一样，整座桥梁没有使用一颗铁钉，外形秀美，被誉为世界名桥。

(a)全桥 (b)主拱圈细部构造 图10 日本锦带桥

3 中国木拱桥

据史料记载，中国木拱桥起源于北宋明道时期(1032年～1033年)的开封，由山东青州一囚卒首创，被广泛修建于中原地区，但随着汴京的衰退，这种桥型没有再建的记录。在很长的一段时间里，学术界认为中国木拱桥已经失传，直到20世纪70年代末，在《中国古桥技术史》编写过程中，现存的中国木拱桥才被发现[8]。

中国现存的木拱桥只见编木拱桥，其主拱为原木穿插的编木结构体系，采用几乎原始的直木，通过巧妙的结构组合，实现了较大的跨度。根据结构的不同，编木拱可细分为两种，一种是曾经在北宋中原地区广泛使用的虹桥，称之为“汴水虹桥”。另一种是现存于闽浙的木拱桥，称之为“闽浙木拱桥”。从整体结构而言，它们都是由两个相互交错穿插的纵桥向拱架和若干横桥向联结木头组成的拱式结构系统，拱架均以受压为主。但是，从外观上和细部结构上看，二者还是存在着较大的区别[9]。

从外观上看，首先，汴水虹桥近似半圆弧形，如图11(a)所示，这也是虹桥得名的原因，而闽浙木拱桥则成八字形，且多有侧面板以挡风雨,如图11(b)所示。外形上易与现存于闽浙的八字撑桥混淆，这也是它较迟才被发现的一个主要原因。

(a)清明上河图局部(汴水虹桥)(b)闽浙木拱桥(溪东桥)图11 中国木拱桥

其次，汴水虹桥是直接利用拱背作为桥道系，桥梁净高能较好地适应水道通航，但同时也使得通行车辆、行人上下桥困难。闽浙木拱桥由于增加了桥面木纵梁，使得桥面变成平坡，利于车辆和行人通过，同时木纵梁为主拱系统一部分，参与主拱受力，使整体结构更加稳定。

最后，汴水虹桥不设廊屋，而闽浙木拱桥均设有廊屋。廊屋除了可为当地居民提供活动场所外，还具有明显的结构功能：一是增加了桥梁的自重，加强了结构的稳定性；二是有利于防止主拱系统的木构件被雨淋腐蚀，延长木构件的使用寿命，这也是闽浙木拱桥保存至今的一个重要原因。

第一，从细部结构上看，两种拱架的第一系统都是八字形，均由3根长圆木纵梁和2根木横梁组成，如图12所示。但第二系统却明显不同，汴水虹桥由4根拱骨组成，如图12a所示，闽浙木拱桥为5根拱骨，如图12b所示。同时，闽浙木拱桥的拱骨在横桥向并列6组或8组，最上一根拱骨通过横木改成7组或9组，两个系统的两种拱骨相互穿插。只有顶上的第二系统拱骨与其下方的第一系统拱骨数量相同且相互对齐，两个系统紧贴。因此，闽浙木拱桥结构较汴水虹桥结构更为稳固。

第二，两种拱架中拱骨的连接方式不同，据文献记载，汴水虹桥中的木拱肋与横木是采用棕绳绑扎连接(或铁件箍扎)。1999年，美国WGBH公司为拍摄影片《中国虹桥》，在上海金泽镇市河上建造了一座以《清明上河图》中的汴水虹桥为蓝本的人行木拱桥，就是采用竹绳捆绑，如图13所示[7]。闽浙木拱桥拱肋构件之间则采用榫卯连接，如图14所示，榫头为大燕尾形，横木(牛头)凿有卯口，在两头加箍铁条，相互之间开孔插入或用燕尾榫卯接，衔接严密，结构稳固。从捆绑发展为榫卯，闽浙木拱桥的造桥工艺有了极大提高。

(a)汴水虹桥

(b)闽浙木拱桥图12 木拱桥结构示意图

图13 上海金泽镇普庆桥棕绳捆绑扎

图14 闽浙木拱桥榫卯连接

第三，闽浙木拱桥设有特殊的“X”剪力撑架构造，如图15所示，这对于加强桥梁整体稳定、增大桥梁横向刚度、减小横向变形起到重要作用。此外，在两个系统的拱骨间填塞小木料，如图16所示，这些木料对防止拱骨纵向位移起到重要作用。

图15 “X”型剪力撑

图16 填充小木料

4 中外木拱桥比较

综上可知，国外木拱桥主要以木肋拱和木桁拱为主，虽然有文献曾记载古罗马编木拱的设想，但并未见实桥建成的记载。木肋拱需将木材弯成曲线，工作量很大，且古代木肋拱以原木为主，受原木长度的影响，跨径较小。桁肋截面刚度大，自重轻，跨径较大，可以用短木材组成，虽无需弯曲木材成型，但需分段折线来逼近曲线，而且连接节点构造复杂，受拉腹杆和节点需金属材料辅助连接，工作量较大。

目前仅见中国建有编木拱并大量遗存，编木拱桥利用直原木，对原料要求低，无需弯曲成型，也不需要用金属构件辅助，加工简单，构思巧妙，受力合理，最大特点是使用短原木便可建成大跨度拱桥。纵桥向拱架由长度一定的木头(拱木)相互对顶，处于同一平面内，拱架中的拱骨以受压为主，轴向压力直接传递，拱木所受弯矩很小，拱结构的受力特点突出。同时，汴水虹桥中节点处绑扎的绳索主要起固定拱木的作用，受力较小。中国编木拱桥与古罗马设想的编木拱相比，虽然两者都是由两个纵向拱架系统组成，但古罗马设想的编木拱主要由交错的拱木通过绳子绑扎联结成铰的结构形式，同一拱架系统的拱木并不在一个平面上。在外荷载作用下，拱木之间的荷载主要靠绑扎的绳索进行传递，铰接处受力很大，同时弯矩也很大。因此，中国的编木拱桥与古罗马编木拱桥结构上虽然相似，但就受力情况比较而言，中国编木拱桥结构比古罗马编木拱桥结构更加合理[2]。

5 中国编木拱技术研究价值

由于建筑文化的差异，中西方木拱桥结构形式也存在较大的差异。欧洲主要以木肋拱和木桁拱为主，中国仅见编木拱。从桥梁结构形式来说，肋拱、桁拱在其他材料拱桥(如混凝土拱桥、钢拱桥)中都有大量的应用，并不是木拱独有的形式，而编木拱结构在其他材料拱桥中没有出现过。因此，我国编木拱桥在世界桥梁技术史上具有重要的意义。编木拱的试验结果与理论分析表明，其并不属于从结构力学中理想的二维平面或三维空间杆系的受力结构，没有与之相应的结构力学计算模型，因此，开展编木拱结构的受力特点研究，对于发展结构力学计算理论具有重要的意义。

由于我国森林资源遭到过严重的破坏，目前木材资源很匮乏，木材的使用也受到很大限制，严重制约了我国木结构建筑的发展。从国际范围来看，木材作为一种自然环保的建筑材料，在人们日益关注生态环境和可持续发展的今天，木结构建筑也得到越来越多建筑师的青睐。出于环保、经济与技术传承的考虑，一些发达国家不断有木桥或木组合桥的修建，并且在木结构建造技术和建材来源方面都已经发展到相对成熟的阶段。近些年，我国的一些城市和风景区内由于功能和景观环境的需要，建设了几座木拱桥，但我国新建的交通桥梁中，木桥几乎没有。而且，在对原交通部门的“钢与木结构桥梁设计规范”修订后，新规范成为“钢桥设计规范”，连木结构桥梁的内容也都没有。

与其它建筑材料相比，木材更能显示自然美，并适用于任何气候环境。随着技术的发展，其作为建筑构件的缺点是可以通过技术进步加以改进，从而充分发挥出其优越性。我国木拱桥在历史上曾发挥重大作用，今天其在桥梁结构中的实用价值尚待发掘。同时，中国编木拱桥独特的结构形式，能给桥梁工程师新的启发与创作灵感。

6 结语

中国木拱桥独特的编木结构形式，在世界桥梁史上有着重要的技术价值。开展编木拱桥技术性能的研究，对促进我国木结构桥梁的应用与发展有重要作用，对于发展结构力学计算理论也具有重要的意义。

除此之外，中国编木拱桥与古罗马人设想的编木拱桥结构上如此相似，为什么仅见这两个地方有这种编木拱桥结构和设想，之间是否存在着交流与渊源关系，还是二者是完全独立的？一直以来，工程师、历史学家和考古学家都一致认为日本的文化与技术多传自中国，然而在中国未见日本锦带桥式的木拱桥，而日本也未见建有中国的编木拱桥。这些目前还未见有任何研究报道，都有待于我国桥梁研究工作者们去探究。

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Timber arch bridge structural type and the value of China woven timber arch bridge technology

LIUJunpingYANGYanCHENBaochun

(College of Civil Engineering, Fuzhou University,Fuzhou 350116)

Timber arch bridges acted an important role in the history of bridges, its structural type and development, especially China woven timber arch are discussed in this paper. The structure types of timber arch can be simply divided into four types: timber rib, timber truss rib, woven timber rib and other small minority type. Timber rib and timber truss rib are mainly in Europe, and now, the woven timber rib is only in China with a large number. Rib arch and truss rib arch are not the unique forms for timber arch bridges, they are also usually used in other materials arch bridges, but for woven arch rib, it is only used in timber arch bridge. According to the relevant test and theory analysis results, there are some difference between Woven arch rib actual mechanism behavior with the ideal structural solutions. China woven timber rib is not the two dimension plane or three dimension space structures, so, research on the unique structure has a great significance of developing the structural mechanics theory.

Timber arch bridge; Structure types; China and foreign country; Difference; Woven timber arch; Research value

福建省教育厅科技项目(JA13029)。

刘君平(1977.8- )，男，博士，副研究员。

E-mail:liujunping@fzu.edu.cn

2017-04-29

U443

A

1004-6135(2017)09-0065-06